Integrierte Optik

Grundidee und Ziel

Integrierte Optik (IO), auch photonisch integrierte Schaltung (englisch photonic integrated circuit, PIC), ist ein Teilgebiet der technischen Optik. Sie befasst sich mit integrierten optischen Systemen, die auf einem Substrat untergebracht sind. Auf einem solchen optischen Schaltkreis können viele Funktionen zusammenwirken, etwa Lichtquellen, Wellenleiter, Strahlteiler, Intensitäts- und Phasenmodulatoren, Filter sowie Schalter. Damit ähnelt die integrierte Optik den integrierten elektrischen Schaltkreisen (ICs), erreicht aber keine ebenso hohe Integrationsdichte.

Ein wichtiges Ziel ist, möglichst alle Funktionen eines optischen Kommunikationsnetzes auf einem einzigen integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen. Dadurch sollen Umwege über elektrische Signale vermieden werden. Photonische integrierte Schaltungen versprechen außerdem im Vergleich zu heute üblichen elektrischen integrierten Schaltungen einen geringeren Energieverbrauch bei hohen Geschwindigkeiten, was sie für zukünftige Computeranwendungen interessant macht.

Erste integriert-optische Bauelemente mit einer Größe von wenigen Quadratzentimetern wurden bereits in den 1970er Jahren entwickelt. In den 1990er Jahren kamen solche Elemente in Datennetzen zum Einsatz. Ihre Entwicklung wurde unter anderem durch GaAlAs- und InGaAsP-Laserdioden, verlustarme Glasfasern und die Lithographie unterstützt. Seit den 1990er Jahren finden sich integriert-optische Bauelemente auch im Konsumerbereich, zum Beispiel in CD-Spielern und CD-ROM-Laufwerken, sowie in der optischen Nachrichtentechnik.

Materialgrundlagen

Typische Materialien der integrierten Optik sind Glas, Silizium, Polymere, insbesondere Photopolymere, sowie dielektrische Kristalle. Ein besonders wichtiges Beispiel ist Lithiumniobat. Dieses Material besitzt interessante elektrooptische, akustooptische und nichtlineare optische Eigenschaften.

Um aus Lithiumniobat optische Schaltkreise mit bestimmten Funktionen herzustellen, kann der Kristall mit Titan dotiert werden. Dotieren bedeutet, gezielt Fremdatome in ein Material einzubringen, um seine optischen Eigenschaften zu verändern. Weitere Möglichkeiten sind die Bearbeitung durch Protonenaustauschverfahren oder die Dotierung mit Elementen aus der Gruppe der seltenen Erden.

Funktionale Bauelemente

Akustooptische Schaltkreise arbeiten mit Ultraschallwellen. Ihr Haupteinsatzgebiet sind Kommunikationssysteme. Mit ihnen lassen sich unter anderem Wellenlängenfilter, optische Schalter und Multiplexer herstellen. Ein Multiplexer bündelt mehrere optische Signale in einem gemeinsamen Übertragungsweg.

Für laseraktive Bauelemente und optische Verstärker werden Gläser oder Kristalle mit Elementen der seltenen Erden dotiert. Genannt werden Praseodym, Neodym, Erbium, Thulium und Ytterbium. Besonders bedeutsam ist Erbium: Erbiumdotierte Kristalle, Gläser und Lichtwellenleiter können Infrarotstrahlung im Bereich um 1550 nm erzeugen oder verstärken. Bei 1550 nm liegt bei Lichtwellenleitern aus Quarzglas ein Dämpfungsminimum. Deshalb wird dieser Wellenlängenbereich in Glasfasernetzen der Telekommunikation bevorzugt verwendet.

Erbiumdotierte Lithiumniobatlaser und erbiumdotierte Faserverstärker werden mit Diodenlasern bei einer Wellenlänge von 980 nm oder 1480 nm gepumpt. Auch Halbleiterlaser können direkt als Strahlungsquellen eingesetzt werden und bei 1550 nm arbeiten.

Mischer, Frequenzvervielfacher und optisch-parametrische Oszillatoren (OPO) dienen der Frequenzumwandlung. Dabei wird aus kohärentem Licht einer bestimmten Frequenz kohärentes Licht in anderen Frequenzbereichen erzeugt. Kohärentes Licht besitzt eine feste Phasenbeziehung. Einige Frequenzbereiche können mit den derzeit verfügbaren Laserquellen nicht abgedeckt werden. Ein nichtlineares Element kann Laserlicht in einen anderen Frequenzbereich umwandeln oder einen durchstimmbaren Laser ermöglichen.

Passive Wellenleiterchips und Verzweiger

Passive integriert-optische Komponenten sind planare Lichtwellenleiterstrukturen (PLWL, englisch PLC). Dabei sind mehrere passive Wellenleiterfunktionen monolithisch, also gemeinsam auf einem Chip, integriert. Solche Bauteile werden in großen Stückzahlen in faseroptischen Übertragungssystemen (FTTH) eingesetzt. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Lichtsignale von einer Übertragungsfaser auf viele Fasern zu verteilen oder diese Verteilung umzukehren.

Die dafür verwendeten Verzweiger, auch Splitter genannt, ermöglichen eine Baumstruktur, wie sie in passiven optischen Netzen (PON), zum Beispiel GPON, benötigt wird. Monomode-Verzweiger 1×N und 2×N mit bis zu 64 Kanälen sind kommerziell erhältlich. Sie können im gesamten Übertragungsbereich der Standard-Telekomfaser von 1260 bis 1650 nm eingesetzt werden.

Eine lange bekannte und erprobte Herstellungstechnik ist das Ionenaustauschverfahren in Glas, das auf Ken Koizumi (1971) zurückgeht. Durch eine photolithographisch erzeugte Metallmaske werden Natriumionen des Glases örtlich begrenzt durch Silberionen ersetzt. Die Silberionen erhöhen den Brechungsindex in den vorgegebenen Bahnen und bilden so die Wellenleiterstruktur.

Beim zunächst rein thermischen Ionenaustausch entstehen Oberflächenwellenleiter. Ihre Geometrie und Übertragungseigenschaften reichen jedoch allein nicht für die Anforderungen an Dämpfung und Umweltstabilität aus. Deshalb folgt eine zweite Diffusion in einem elektrischen Feld. Dabei werden die oberflächennahen Silberionen mithilfe von Natriumionen aus einer Salzschmelze in das Glasinnere verlagert. Die fertigen Wellenleiter liegen etwa 15 Mikrometer unter der Glasoberfläche und besitzen gute Übertragungseigenschaften sowie Langzeitstabilität. In den OPAL-Netzen der Deutschen Telekom sind solche Wellenleiter seit 1993 im Einsatz, ohne Degenerationserscheinungen zu zeigen.

Eine alternative Chiptechnologie ist „Silica on Silicon“ beziehungsweise „Silica on Silica“ (SiOS). Dabei werden Quarzglas- oder dotierte Quarzglasschichten auf einem Substrat aus Silizium oder Quarzglas abgeschieden. Die Wellenleiter werden aus einer höherbrechenden Schicht, etwa einer germaniumdotierten Quarzglasschicht, herausgeätzt und anschließend mit einer weiteren Quarzglasschicht bedeckt. SiOS-Wellenleiter sind wie ionenausgetauschte Wellenleiter dämpfungsarm und breitbandig. Wegen der Schichten aus Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung reagieren sie jedoch deutlich stärker auf Polarisation, besonders bei Temperaturschwankungen.

Für einen typischen 1×8-Verzweiger werden folgende Eigenschaften angegeben: Wellenlängenbereich 1260 bis 1650 nm, Einfügeverluste < 10,8 dB, Gleichmäßigkeit < 1 dB, Rückflussdämpfung < 55 dB, polarisationsabhängige Verluste < 0,15 dB, temperaturabhängige Verluste < ±0,1 dB und eine Arbeitstemperatur von −40 bis 85 °C.

Durch veränderte Herstellungsparameter können andere Wellenleitereigenschaften erzeugt werden. Passive integriert-optische Wellenleiterchips sind inzwischen für Wellenlängen bis hinunter zu 600 nm möglich. Auch komplexere Strukturen wie Interferometer und wellenlängenabhängige Funktionen lassen sich verwirklichen. Solche Chips sind unter anderem für Sensorik, Messtechnik und Diagnostik interessant, weil die Integration eine starke Miniaturisierung und erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht.

Optisches Rechnen

Beim optischen Rechnen sollen Aufgaben, die herkömmlich von elektronischen Bausteinen wie Mikroprozessoren mit elektrischen Impulsen ausgeführt werden, durch Photonen erledigt werden. Verwendet werden Photonen, die von Lasern oder Leuchtdioden ausgesendet werden. Die Photonen können sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung bilden.

Ein Grund für das Interesse an optischen Rechenkernen ist, dass Photonen eine höhere Bandbreite und eine wesentlich höhere Geschwindigkeit besitzen als die Elektronen, die in herkömmlichen Computern verwendet werden. Diese Eigenschaften können die Leistungsfähigkeit optischer Rechensysteme begünstigen.